WO2011108248A1

WO2011108248A1 - 燃料電池発電システム

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Publication number: WO2011108248A1
Application number: PCT/JP2011/001159
Authority: WO
Inventors: 裕章加来; 加藤　玄道; 島田　孝徳; 田中　良和
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2010-03-01
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2011-09-09
Also published as: KR20120013435A; EP2544285A4; US20120070755A1; EP2544285A1; JPWO2011108248A1; RU2011151402A

Abstract

　累積通電時間を計測する計測部１０９と、日時を特定するカレンダー部１０４と、１年間を分割した時期区分を行とし累積通電時間の目標値を分割した通電時間区分を列とし個々の要素として燃料電池スタックの単位時間当たりの発電時間の上限値が格納されすべての要素について演算される発電時間の和が予め計測されている燃料電池スタックの寿命時間に一致するよう設定されたマトリクスを有する記憶部１０６と、日時と累積通電時間とをマトリクスに当てはめて単位時間当たりの発電時間の上限値を決定する演算部１０７と、該上限値の範囲内でそれぞれの単位時間内における発電運転の計画を少なくとも需要者の熱需要を考慮して設定し該計画に基づいて燃料電池スタック１０１の発電運転を行うよう制御する運転制御部１１０と、を備える燃料電池発電システム１００。

Description

燃料電池発電システム

　本発明は、運転計画に基づいて制御される燃料電池発電システムに関するものである。

　近年、家庭用の燃料電池発電システムは、その普及拡大と事業確立に向けて研究開発がますます加速されている。

　その実現のための課題のひとつに、耐久性｛例えば、燃料電池システムの主電源からの電力供給がＯＮになった状態（発電可能な状態）を１０年維持できる耐久性、以下「10年耐久性」という｝の更なる向上が求められている。そして、１０年耐久性など優れた耐久性を実現するための様々な提案、耐久性の低下に対する原因分析などがなされている。

　例えば、下記特許文献１に記載の燃料電池システム（本発明における「燃料電池発電システム」に相当）には、１日あたりの燃料電池の発電時間を所定の範囲に規定することにより、耐久性の向上を意図した提案がなされている。具体的には、月毎の熱需要の変化、更に、１日あたり熱需要の変化に対応するように、月毎に燃料電池システムの許容作動時間（本発明における「発電時間」を参照）を規定している（特許文献1の図３を参照）。

　また、例えば、下記特許文献２に記載のコージェネレーションシステム（co-generation system：本発明における「燃料電池発電システム」に相当）には、燃料電池発電システムに備えられている燃料電池スタックの発電効率は、発電時間の増加にともなって低下する（発電時間の増加にともなってコージェネレーションシステムが劣化する）という知見が開示されている（特許文献２の図３を参照）。また、下記特許文献２には、この発電効率が発電時間の増加にともなって低下する一方で、熱回収効率が上昇することも開示されている。そして、これらの発電効率の低下と、熱回収効率の上昇に対応した発電量を決定する構成が開示されている。

特開２００７－３２３８４３号公報特開２０１０－０４３９３６号公報

　しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２をはじめとする従来技術であっても、少なくとも需要者の熱需要に対応しつつ、設置場所や設置地域において求められる十分な耐久性（例えば、１０年耐久性）を確保する観点からは、いまだ改善の余地があった。

　より具体的には、特許文献１及び特許文献２の記載の構成では、要求される耐久性の目標期間（例えば、１０年）を達成するために、それを１年間の期間の中で、１日あたりの発電計画（発電時間、発電のタイミングなど）をどのように設定するかまでは考慮されておらず、上記の観点からは改善の余地があった。

　前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムは、発電を行う燃料電池スタックを備え、システム全体の主電源から供給される電力で動作する燃料電池発電システムにおいて、前記主電源からの電力供給がＯＮの状態にある時間の累積である累積通電時間を計測する計測部と、時計機能とカレンダー機能とを有しており前記主電源からの電力供給がＯＮの状態となっているときの日時を特定するカレンダー部と、１年間を分割して定められる時期区分を行とし、累積通電時間の目標値を分割して定められる通電時間区分を列とするマトリクスを有しており、前記マトリクスには個々の要素として前記燃料電池スタックの単位時間当たりの発電時間の上限値が格納されており、前記マトリクス内のすべての要素について演算される発電時間の和は予め計測されている前記燃料電池スタックの寿命時間に一致するよう設定されている記憶部と、前記カレンダー部により特定される日時の実測データと、前記計測部により計測される前記累積通電時間の実測データとを、前記マトリクスに当てはめて、単位時間当たりの発電時間の上限値を決定する演算部と、前記演算部で決定された単位時間当たりの発電時間の上限値の範囲内で、それぞれの単位時間内における発電運転の計画を少なくとも需要者の熱需要を考慮して設定し、前記計画に基づいて前記燃料電池スタックの発電運転を行うよう制御する運転制御部と、を備えている。

　かかる構成では、少なくとも需要者の熱需要に対応しつつ、設置場所や設置地域において求められる十分な耐久性（例えば、１０年耐久性）を確保することができる。

　本発明の燃料電池発電システムによれば、上述のように、記憶部に予め格納さえているマトリクスと、日時の実測データと、計測部により計測される累積通電時間の実測データとを用いて、単位時間当たり（例えば１日あたり）の燃料電池スタックの発電時間の上限値を決定する。そして更に、この発電時間の上限値の範囲内で、単位時間（例えば１日）内における発電運転の計画を少なくとも需要者の熱需要を考慮して設定し、当該計画に基づいて燃料電池スタックの発電運転を行うよう制御することができる。

　このように、本発明の燃料電池発電システムは、要求される耐久性の目標期間（例えば、１０年）を達成するために、予め求めた燃料電池スタックの寿命時間を１年間の期間の中での単位時間（例えば、１日）あたり発電時間に分割して割り振り、さらに割り振られた単位時間あたり発電時間のなかで単位時間の発電計画（発電時間、発電のタイミングなど）をどのように設定するかを定めることができる。

　そのため、本発明の燃料電池発電システムは、少なくとも需要者の熱需要に対応しつつ、設置場所や設置地域において求められる十分な耐久性（例えば、１０年耐久性）を確保することができる。

図１は、第１実施形態の燃料電池発電システムの概略構成の一例を示すブロック図である。図２は、第１実施形態の燃料電池発電システムの動作方法の一例を示すフローチャートである。図３は、第１実施形態の燃料電池発電システムにおける単位時間当たりの発電時間のマトリクスの一例である。図４は、第１実施形態の燃料電池発電システムにおける単位時間当たりの発電時間の算出に用いる積算係数のマトリクスの一例である。図５は、第１実施形態の燃料電池発電システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。

　第１発明の燃料電池発電システムは、発電を行う燃料電池スタックを備え、システム全体の主電源から供給される電力で動作する燃料電池発電システムにおいて、主電源からの電力供給がＯＮの状態にある時間の累積である累積通電時間を計測する計測部と、時計機能とカレンダー機能とを有しており主電源からの電力供給がＯＮの状態となっているときの日時を特定するカレンダー部と、１年間を分割して定められる時期区分を行とし、累積通電時間の目標値を分割して定められる通電時間区分を列とするマトリクスを有しており、マトリクスには個々の要素として燃料電池スタックの単位時間当たりの発電時間の上限値が格納されており、マトリクス内のすべての要素について演算される発電時間の和は予め計測されている燃料電池スタックの寿命時間に一致するよう設定されている記憶部と、カレンダー部により特定される日時の実測データと、計測部により計測される累積通電時間の実測データとを、マトリクスに当てはめて、単位時間当たりの発電時間の上限値を決定する演算部と、演算部で決定された単位時間当たりの発電時間の上限値の範囲内で、それぞれの単位時間内における発電運転の計画を少なくとも需要者の熱需要を考慮して設定し、計画に基づいて燃料電池スタックの発電運転を行うよう制御する運転制御部と、を備えている。

　「主電源」とは、燃料電池発電システムが動作するために必要な主たる電力を燃料電池発電システム外部から供給する電源であって、例えば、商用電源が含まれうる。なお、燃料電池が発電している時に、自ら発電した電力を燃料電池発電システムの動作に用いる場合でも、起動時やスタンバイ時などに必要な電力が、外部の電源から供給される場合があり、その場合の外部の電源は主電源となりうる。

　「累積通電時間の目標値」とは、設置場所や設置地域において要求される燃料電池発電システムの耐久時間であって、例えば、燃料電池発電システムの主電源からの電力供給がＯＮである状態（発電可能な状態）を維持する時間の目標値をいう。具体的には例えば、１０年（８７６００時間）を累積通電時間の目標値とすることができる。

　「単位時間」とは、燃料電池発電システムの運転が繰り返される際の区切りとなる時間をいう。具体的には例えば、一日、一週間、十日、一ヶ月などを単位時間とすることができる。

　「単位時間当たりの発電時間の上限値」とは、予め測定されている燃料電池スタックの寿命（所定の発電効率での発電が可能な発電時間）を考慮して設定される単位時間当たり（例えば１日あたり）の発電時間の上限値をいう。本発明においては、発電時間の合計がかかる寿命以下となるように、単位時間当たりの発電時間の上限値が設定される。具体的には例えば、４万時間、５万時間、６万時間などを寿命に到達する発電時間の合計として、単位時間当たりの発電時間の上限値を算出することができる。

　運転制御部が需要者の熱需要を考慮して設定するにあたって、該熱需要は、例えば、熱需要計測部により自動的に運転制御部に送られてもよいし、操作者により入力されてもよい。

　第２発明の燃料電池発電システムは、特に、第１発明の燃料電池発電システムにおいて、単位時間当たりの発電時間の上限値が、累積通電時間が長くなるほど短くなるよう設定されている。

　第３発明の燃料電池発電システムは、特に、第１発明又は第２発明のいずれかの燃料電池発電システムにおいて、単位時間当たりの発電時間の上限値が、一年間のうちの熱需要が高い時期ほど長くなるよう設定されている。

　第４発明の燃料電池発電システムは、特に、第１発明又は第２発明のいずれかの燃料電池発電システムにおいて、単位時間当たりの発電時間の上限値が、一年間のうちの一日の平均気温が相対的に低い時期ほど長くなるよう設定されている。

　第５発明の燃料電池発電システムは、特に、第１～４発明のいずれかの燃料電池発電システムにおいて、設置場所の気温の情報に基づいて、マトリクスに格納されている単位時間当たりの発電時間の上限値を書換え可能な書換え処理部を備えている。

　第６発明の燃料電池発電システムは、特に、第１～４発明のいずれかの燃料電池発電システムにおいて、設置場所の気温の情報に対応したマトリクスを予め複数備えており、設置場所の気温の情報に基づいて、記憶部に備えられている複数のマトリクスを選択する選択処理部を備えている。

　第７発明の燃料電池発電システムは、特に、第５発明又は第６発明の燃料電池発電システムにおいて、気温の情報は、記憶部に予め格納された設置場所情報、設置場所の平均気温情報、及び、設置場所の外気温を検出する温度検知器が検知した温度情報のうちの少なくとも一つの情報である。

　第８発明の燃料電池発電システムは、特に、第１～７発明のいずれかの燃料電池発電システムにおいて、運転制御部により決定される発電運転の計画で定められた実際の単位時間内での発電運転の時間を表示する表示部を備えている。

　第９発明の燃料電池発電システムは、特に、第１～８発明のいずれかの燃料電池発電システムにおいて、計測部、記憶部、及び運転制御部は、商用電源から電力が供給される構成とされており、カレンダー部は、商用電源及び燃料電池スタックから独立した電力供給手段から電力が供給されるように構成されている。

　「商用電源及び燃料電池スタックから独立した」とは、商用電源からの電力供給が停止し、かつ、燃料電池スタックにおける発電も停止している状態でも、電力供給手段からカレンダー部に電力を供給できることを意味する。なお、カレンダー部は、電力供給手段のみならず、商用電源や燃料電池スタックからも電力が供給されるように構成されていてもよい。

　第１０発明の燃料電池発電システムの運転方法は、燃料電池発電システムの運転方法であって、主電源からの電力供給がＯＮの状態にある時間の累積を累積通電時間とするとき、１年間を分割して時期区分を定め、累積通電時間の目標値を分割して通電時間区分を定め、時期区分と通電時間区分との組合せのそれぞれについて単位時間当たりの発電時間の上限値を決定するためのマトリクスを予め定めるステップと、主電源からの電力供給がＯＮの状態となっているときの日時を特定するステップと、累積通電時間を計測するステップと、特定された日時がいずれの時期区分に属するかを決定すると共に、計測された累積通電時間がいずれの通電時間区分に属するかを決定し、該決定した結果とマトリクスとに基づいて単位時間当たりの発電時間の上限値を決定するステップと、決定された単位時間当たりの発電時間の上限値の範囲内で、それぞれの単位時間内における発電運転の計画を設定するステップと、設定された計画に基づいて燃料電池システムを運転するステップとを有する。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるのもではない。

　（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態の燃料電池発電システムの概略構成の一例を示すブロック図である。

　図１に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム１００は、少なくとも、発電を行う燃料電池スタック１０１と、計測部１０９と、カレンダー部１０４と、記憶部１０６と、演算部１０７と、運転制御部１１０と、を備えている
　燃料電池発電システム１００は、システム全体の主電源である商用電源１５０から供給される電力で動作する。なお、主電源は必ずしも商用電源である必要はなく、他の電源であってもよい。主電源からの電力供給のＯＮ／ＯＦＦは、図示されないメインスイッチにより制御されうる。

　燃料電池スタック１０１は、任意の燃料電池スタックにより構成されうる。具体的には例えば、ＰＥＦＣスタック、ＳＯＦＣスタックなどが挙げられる。

　計測部１０９は、主電源からの電力供給がＯＮの状態にある時間の累積である累積通電時間を計測する。計測部１０９は、例えば、クロックカウンタ（clock counter）とＣＰＵとメモリとから構成され、累積通電時間を計測および記憶すると共に、演算部１０７からの要求に応じて、累積通電時間を演算部１０７へ出力する。

　カレンダー部１０４は、時計機能とカレンダー機能とを有しており主電源からの電力供給がＯＮの状態となっているときの日時を特定する。カレンダー部１０４は、例えば、電池１０５から電力供給されるカレンダー回路、リアルタイムクロック（real time clock）などから構成され、演算部１０７からの要求に応じて、その時点の日時および時刻を演算部１０７へ出力する。カレンダー部１０４は、主電源からの電力供給がＯＮの状態にあっても、ＯＦＦの状態にあっても、電池１０５から供給される電力を用いて、日時を管理する。

　記憶部１０６は、１年間を分割して定められる時期区分を行（row）とし累積通電時間の目標値を分割して定められる通電時間区分を列（column）とするマトリクス（テーブル）を有しており、マトリクスには個々の要素として燃料電池スタックの単位時間当たりの発電時間の上限値が格納されており、マトリクス内のすべての要素について演算される発電時間の和は予め計測されている燃料電池スタックの寿命時間に一致するよう設定されている。記憶部１０６は、例えば、揮発性メモリあるいは不揮発性メモリなどで構成され、演算部１０７からの要求に応じて、特定の行および列に格納された単位時間当たりの発電時間の上限値を演算部１０７へ出力する。

　演算部１０７は、カレンダー部により特定される日時の実測データと、計測部１０９により計測される累積通電時間の実測データとを、記憶部１０６が有するマトリクスに当てはめて、単位時間当たりの発電時間の上限値を決定する。演算部１０７は、例えば、ＣＰＵとメモリとから構成されうる。

　運転制御部１１０は、演算部１０７で決定された単位時間当たりの発電時間の上限値の範囲内で、それぞれの単位時間内における発電運転の計画を少なくとも需要者の熱需要を考慮して設定し、計画に基づいて燃料電池スタックの発電運転を行うよう制御する。運転制御部１１０は、例えば、ＣＰＵとメモリとから構成されうる。

　かかる構成では、少なくとも需要者の熱需要に対応しつつ、設置場所や設置地域において求められる十分な耐久性（例えば、１０年耐久性）を確保することができる。特に、累積通電時間を用いることで使用開始からの経過年数を、また、日時を用いることで例えば季節など１年間における環境の変化を、それぞれ反映させて運転計画が決定される。よって、安定的に効率のよい運転を継続することができる。

　運転制御部１１０は、入力部１０８、カレンダー部１０４、計測部１０９、記憶部１０６からの情報をもとに発電開始時刻、終了時刻を決定すると共に、運転中は電力需要、熱需要から発電すべき電力量（発電電力量）を決定し、決定した発電開始時刻、終了時刻、発電電力量をもとに燃料電池発電システム１００の運転を制御してもよい。

　カレンダー部１０４と記憶部１０６と演算部１０７と計測部１０９と運転制御部１１０とが、それぞれＣＰＵ、ＭＰＵ、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）、論理回路などの演算装置を備える場合、それらの演算装置は全体として１個設けられていてもよいし、それぞれの部毎に１個設けられていてもよいし、それぞれの部の任意の組合せ毎に１個設けられていてもよい。

　カレンダー部１０４と記憶部１０６と演算部１０７と計測部１０９と運転制御部１１０とが、それぞれＤＲＡＭやフラッシュメモリ、ハードディスクなどの記憶装置を備える場合、それらの記憶装置は全体として１個設けられていてもよいし、それぞれの部毎に１個設けられていてもよいし、それぞれの部の任意の組合せ毎に１個設けられていてもよい。

　燃料電池発電システム１００は、さらに、図１に示すように、更新部１１１と、電池１０５と、入力部１０８と、表示部１１２と、電力需要計測部１０２と、熱需要計測部１０３とを備えている。

　更新部１１１は、例えば、設置場所の気温の情報に基づいて、上記マトリクスに格納されている単位時間当たりの発電時間の上限値を書換え可能な書換え処理部であってもよいし、燃料電池発電システム１００が設置場所の気温の情報に対応したマトリクスを予め複数備えている場合において、設置場所の気温の情報に基づいて、記憶部１０６に備えられている複数のマトリクスを選択する選択処理部であってもよい。書換え処理部は、マトリクスの要素である発電時間の上限値のみではなく、例えば、春季を２ヶ月、冬季を４ヶ月とするように、時期区分を区分する態様や、通電時間区分を区分する態様を変更可能に構成されていてもよい。

　該気温の情報は、記憶部１０６に予め格納された設置場所情報、設置場所の平均気温情報、及び、設置場所の外気温を検出する温度検知器（図示せず）が検知した温度情報のうちの少なくとも一つの情報であってもよい。該複数のマトリクスは、単一の記憶部１０６に記憶されていてもよいし、複数の記憶部１０６に記憶されていてもよい。更新部１１１は、例えば、タッチパネルやキースイッチなどの入力装置とＣＰＵとメモリとを備えていてもよい。

　電池１０５は、例えば、乾電池や蓄電池などで構成されうる。入力部１０８は、例えば、Ｉ／Ｏ回路などで構成されうる。

　電力需要計測部１０２は、例えば、燃料電池発電システム１００が設置された家庭と電力系統（商用電源）との接続部に設けられる電力メータなどで構成されうる。電力需要計測部１０２は、入力部１０８を介して運転制御部１１０へと、例えば、当該家庭における電力需要を出力する。

　熱需要計測部１０３は、例えば、燃料電池発電システム１００が設置された家庭において消費される温水量を計測する温水メータや、燃料電池発電システム１００により間接あるいは直接に加熱された温水が貯留される貯湯槽（図示せず）の内部に設けられる温度センサなどで構成されうる。熱需要計測部１０３は、入力部１０８を介して運転制御部１１０へと、例えば、当該家庭における熱需要を出力する。

　表示部１１２は、運転制御部１１０により決定される発電運転の計画で定められた実際の単位時間内での発電運転の時間を表示する。表示部１１２は、運転制御部１１０が決定する発電開始時刻や終了時刻、現在の発電電力量を表示してもよい。表示部１１２は、例えば、液晶パネルなどで構成されうる。

　記憶部１０６と演算部１０７と計測部１０９と運転制御部１１０とは商用電源１５０から電力が供給され、カレンダー部１０４は商用電源１５０および燃料電池スタック１０１から独立した電力供給手段から電力が供給されるのが好ましい。本実施形態では、記憶部１０６と演算部１０７と計測部１０９と運転制御部１１０と更新部１１１と入力部１０８と電力需要計測部１０２と熱需要計測部１０３と表示部１１２とが、商用電源１５０から供給される電力で動作し、カレンダー部１０４が、電池１０５から供給される電力で動作する。かかる構成では、商用電源及び燃料電池スタックから電力が供給されない場合でも、カレンダー部１０４は電池１０５から供給される電力で動作しうる。

　次に、本実施形態の燃料電池発電システム１００の運転方法について説明する。

　図５は、第１実施形態の燃料電池発電システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。

　図５に例示するように、本実施形態の燃料電池発電システムの運転方法は、主電源からの電力供給がＯＮの状態にある時間の累積を累積通電時間とするとき、１年間を分割して時期区分を定め、累積通電時間の目標値を分割して通電時間区分を定め、時期区分と通電時間区分との組合せのそれぞれについて単位時間当たりの発電時間の上限値を決定するためのマトリクスを予め定めるステップ（ＳＴＥＰ１１）と、主電源からの電力供給がＯＮの状態となっているときの日時を特定するステップ（ＳＴＥＰ１２）と、累積通電時間を計測するステップ（ＳＴＥＰ１３）と、特定された日時がいずれの時期区分に属するかを決定すると共に、計測された累積通電時間がいずれの通電時間区分に属するかを決定し、該決定した結果とマトリクスとに基づいて単位時間当たりの発電時間の上限値を決定するステップ（ＳＴＥＰ１４）と、決定された単位時間当たりの発電時間の上限値の範囲内で、それぞれの単位時間内における発電運転の計画を設定するステップ（ＳＴＥＰ１５）と、設定された計画に基づいて燃料電池システムを運転するステップ（ＳＴＥＰ１６）とを有する。

　マトリクスを予め定めるステップ（ＳＴＥＰ１１）は、例えば、燃料電池発電システムの出荷前に、工場において、記憶部１０６に記憶されることで行われてもよいし、燃料電池発電システムが既に設置されている場合において、ユーザやメンテナンススタッフにより、図示されない入力装置や、更新部１１１を用いて行われてもよい。

　ＳＴＥＰ１２～１４は、例えば、後で説明する図２のＳＴＥＰ１０１と同様とすることができる。

　ＳＴＥＰ１５は、例えば、後で説明する図２のＳＴＥＰ１０２と同様とすることができる。

　ＳＴＥＰ１６は、例えば、後で説明する図２のＳＴＥＰ１０４～１０７と同様とすることができる。

　燃料電池発電システム１００は、燃料電池スタック１０１における電気化学反応により発生する電力を利用すると共に、熱をも回収利用することにより、高いエネルギー効率を実現する。運転制御部１１０は、より省エネ性、経済性を発揮できる時間帯に発電が行われるように、所定の単位時間毎に、燃料電池発電システム１００の運転を計画する。ここで、運転を計画するとは、例えば、発電を開始する時間と、発電を停止する時間とを決定すること、あるいは加えて、各時間帯における発電量を決定することをいう。

　所定の単位時間は、例えば１日としてもよいし、１週間、１０日、１ヶ月といった長い期間としてもよい。より具体的には例えば、１日単位で使用者の家庭における電力需要と熱需要のデータを収集し、最も需要が大きい時間帯を特定する。その後、該特定された時間帯において、最適な量の温水が蓄積され、かつ、最適な量の電力が発電されるように、発電開始時刻と終了時刻が算出される。運転中は、電力需要と熱需要とに基づいて、各時間帯における発電量が算出される。

　この運転計画に従って燃料電池発電システム１００が運転されることにより、燃料電池発電システム１００は、使用者の家庭の電力負荷、熱負荷が大きいとき、すなわち熱需要と電力需要が大きいときに十分な熱と発電による電力を供給できる。よって、燃料電池発電システム１００以外の給湯器などでのガスの燃焼による熱の生成と、電力系統からの電力の購入を削減でき、省エネ性と経済性とが向上される。

　ここで、標準的な家庭の電力需要及び熱需要を基に最適な運転を行った場合、燃料電池スタック１０１の寿命が不変とすると、運転可能な年数は６～７年程度となる。運転可能な年数を１０年確保するためには、単位時間当たりの発電時間の上限値を設定し、その範囲内で燃料電池発電システム１００を運転する必要がある。

　図２は、第１実施形態の燃料電池発電システムの動作方法の一例を示すフローチャートである。図３は、第１実施形態の燃料電池発電システムにおける単位時間当たりの発電時間のマトリクスの一例である。以下、図２および図３を参照して、燃料電池発電システム１００の運転方法について説明する。

　まず、演算部１０７により単位時間当たりの発電時間の上限値が決定される（ＳＴＥＰ１０１）。この設定は、記憶部１０６に記憶されているマトリクスに基づいて行われる。

　図３に例示するように、マトリクスは、１年間を分割して定められる時期区分を行とし累積通電時間の目標値を分割して定められる通電時間区分を列とするマトリクスである。該マトリクスには個々の要素として燃料電池スタックの単位時間当たりの発電時間の上限値が格納されており、マトリクス内のすべての要素について演算される発電時間の和は予め計測されている燃料電池スタックの寿命時間に一致するよう設定されている
　図３の例示に沿ってより具体的に説明する。４つの時期区分の日数は、冬季（１２～２月）が９０日間であり、春季（３月～５月）が９２日間であり、夏季（６月～８月）が９２日間であり、秋季（９月～１１月）が９１日間である。マトリクスのそれぞれの要素（例えば、冬季および第１通電時間区分については２４時間）とそれぞれの時期区分の日数との積を、全ての要素について合計すると、３６３２８時間となる。これが燃料電池スタックの寿命時間となっている。なお、「予め計測されている燃料電池スタックの寿命時間」とは、例えば、設計上の燃料電池スタックの寿命を指し、必ずしも厳密に計測されている必要はない。寿命時間は概数であってよい。

　マトリクスの個々の要素は、以下のように設定されるのが好ましい。

　行については、同一の通電時間区分において、熱需要が高い時期区分（例えば、冬季［例えば、１２月から２月］）ほど、燃料電池スタック１０１の単位時間当たりの発電時間の上限値が長くなるように設定されることが好ましい。あるいは、同一の通電時間区分において、一年間のうちの１日の平均気温が相対的に低い時期区分（例えば、冬季［例えば、１２月から２月］）ほど、燃料電池スタック１０１の単位時間当たりの発電時間の上限値が長くなるように設定されることが好ましい。

　夏季は熱需要が少ないため、貯湯量に熱を蓄積しても無駄が多くなる。逆に、冬季は熱需要が多いため、無駄が少なくなる。省エネ性を向上させるため、熱需要が少ない季節（夏季）ほど発電時間が短く、熱需要が多い季節（冬季）ほど発電時間が長くなるように単位時間当たりの発電時間の上限値が設定されるのが好ましい。

　なお、図３に示す例では、季節単位で１年を４つの時期区分に分割したが、冬季、夏季、春季と秋季を合わせた中間期の３つの時期区分に分けたり、週単位（５２個の時期区分）や月単位（１２個の時期区分）に分けてもよい。また、装置が設置される周辺環境に合わせて予め入手した平均気温の分布にもとづいて１年を複数の時期区分に分割し、それぞれの時期区分毎に、平均気温が高いときほど発電時間が短く、平均気温が低いときほど発電時間が長くなるように、単位時間当たりの発電時間の上限値を設定してもよい。

　列については、同一の時期区分において、累積通電時間が長くなるほど燃料電池スタック１０１の単位時間当たりの発電時間の上限値が短くなるように設定されることが好ましい。

　燃料電池発電システム１００の特性として、一般に、総発電時間が長くなるほど排熱回収効率が上昇することが知られている。同一の時期区分において、累積通電時間が長くなるほど単位時間当たりの発電時間の上限値を短くすることで、熱需要と熱供給のバランスをより好適に保つことが可能となる。

　図３に示す例において、累積通電時間は、耐用通電時間を上限として累積通電時間の１区分が1年相当（３６５日×２４時間＝８７６０時間）となるように、累積通電時間の目標値（１０年＝８７６００時間）が１０個の通電時間区分に区分されている。

　なお、総発電時間が長くなるほど発電効率が上昇し、排熱回収効率が低下する場合には、同一の時期区分において、累積通電時間が長くなるほど単位時間当たりの発電時間の上限値が長くなるように設定してもよい。また、累積通電時間の目標値を１０年とし、これを、それぞれ１年ずつの通電時間区分で等間隔に１０個に区分した。しかしながら、装置の特性と熱需要に合わせ、熱需要と熱供給のバランスを保つように、同一の時期区分において、より細かく、より荒く、また不等間隔に区分してもよい。

　ここで、図３に示すマトリクスは、一般的な日本の季節に合わせて設定したものである。日本においては例えば北部と南部、地球規模においては例えば北半球と南半球というように、地域ごとに年間の気候は大きく異なる。また、地域ごとに生活様式も異なる。したがって、設置される環境において熱需要も大きく異なる。よって、設置された環境に適したマトリクスを個別に作成し、更新部１１１を用いて自動、または手動で記憶部１０６のマトリクスを更新することが望ましい。なお、自動とは、例えば、予め入力された平均気温の分布、またはカレンダー部１０４の日時情報と外気温を計測する温度センサをもとに作成する平均気温の分布などからマトリクスを作成し、更新することなどをいう。

　ＳＴＥＰ１０１において、運転制御部１１０は、カレンダー部１０４により特定される日時の実測データと、計測部１０９により計測される累積通電時間の実測データとを、記憶部１０６に記憶されているマトリクス（例えば、図３）に当てはめて、単位時間当たりの発電時間の上限値を決定する。

　例えば、日時の実測データが２月２４日（時期区分＝冬季）であり、かつ、累積通電時間の実測データが３０００時間（第１通電時間区分）である場合、単位時間当たりの発電時間の上限値は２４時間に設定される。

　一方で、例えば、日時が３月１日であり、かつ、累積通電時間が３１００時間のときに、使用者が長期間外出するため燃料電池発電システム１００のメインスイッチをＯＦＦし、翌年の６月１日に再びメインスイッチをＯＮした場合、運転制御部１１０は、日時の実測データである６月１日と、通電累積時間の実測データである３１００時間とに基づいて、単位時間当たりの発電時間の上限値を１０時間に設定する。

　主電源からの電力供給のＯＮ／ＯＦＦに依存しない日時の実測値により、マトリクスのいずれかの列を特定し、主電源からの電力供給のＯＮ／ＯＦＦに依存する累積通電時間の実測値により、マトリクスのいずれかの行を特定することで、単位時間当たりの発電時間の上限値を適切に設定でき、累積通電時間の目標値に達するまで燃料電池発電システム１００の寿命を延ばす（発電可能な状態に維持する）ことが実現しやすくなる。

　ＳＴＥＰ１０１が完了すると、運転制御部１１０により、運転計画が作成される（ＳＴＥＰ１０２）。運転計画は、例えば、運転制御部１１０が記憶している過去の運転実績に基づいて、電力需要及び熱需要が発生する時間帯を予測し、これに基づいて、発電時間が単位時間当たりの発電時間の上限値以下となるように、燃料電池発電システム１００の発電開始時刻と発電終了時刻とを決定する。このとき、表示部１１２において、発電開始時刻および／または発電終了時刻が表示されると、使用者が装置の運転状況を確認できる。また、使用者が、電力および熱（温水）を利用する時間帯を、燃料電池発電システム１００の運転中に集中させることでエネルギー効率をさらに向上させることができる。なお、運転計画は、少なくとも熱需要を考慮して設定されればよく、必ずしも電力需要を考慮しなくてもよい。

　運転計画を作成したら、運転制御部１１０は、作成した運転計画に基づいて発電開始時刻になったら燃料電池発電システム１００における発電を開始する（ＳＴＥＰ１０３、１０４）。燃料電池発電システム１００における発電は、作成された運転計画通りに行うのではなく、実際の電力需要及び熱需要に応じて最適な出力で行うこととしてもよい。

　燃料電池発電システム１００の運転中は、発電終了時刻が到来したら、あるいは、運転中に発生する熱を貯蓄する貯湯槽（図示せず）の蓄熱量が上限値に到達したら、運転制御部１１０が、発電を終了する（ＳＴＥＰ１０５～１０７）。

　燃料電池発電システム１００の発電終了後は、発電時間が単位時間当たりの発電時間の上限値未満か否かを運転制御部１１０が判断する（ＳＴＥＰ１０８）。発電時間が単位時間当たりの発電時間の上限値未満でなければ、運転制御部１１０は、単位時間当たりの発電時間の上限値を設定する工程（ＳＴＥＰ１０１）に戻り、上述した工程を再び繰り返す。

　発電時間が単位時間当たりの発電時間の上限値未満であれば、運転制御部１１０は、単位時間当たりの発電時間の上限値と実際の発電時間との差分を算出する（ＳＴＥＰ１０９）。そして、上述した工程に戻り、運転制御部１１０は、次の単位時間当たりの発電時間の上限値を設定する際（ＳＴＥＰ１０１）に、ＳＴＥＰ１０９で算出された差分を加算する。

　［変形例］
　上述の説明では、図３に示したような、単位時間当たりの発電時間の上限値がそのまま格納されたマトリクスを用いる場合を例示した。しかしながら、マトリクスは、図４に示すような、単位時間（例えば、単位時間が１日の場合には２４時間）に対する、単位時間当たりの発電時間の上限値の比率（係数：例えば、単位時間が２４時間、上限値が６時間の場合には、６／２４＝２５％）を格納するものであってもよい。この場合、運転制御部１１０は、単位時間と比率の積を演算することで、単位時間当たりの発電時間の上限値を決定してもかまわない。

　すなわち、マトリクスにおいて、「個々の要素として燃料電池スタックの単位時間当たりの発電時間の上限値が格納されている」とは、上限値そのものが格納されている場合に限定されず、上限値を取得するための他の情報が格納されている場合を含む。

　また、本実施の形態では、電力需要と熱需要を基に発電開始時刻と発電終了時刻を設定し、運転を行ったが、運転制御をより簡便にするため、予め決められた発電開始時刻から運転し、発電開始時刻から時間単位当たりの発電時間の上限値に相当する時間が経過したら運転を終了してもかまわない。

　また、上述の説明では、カレンダー部１０４は電池１０５から電源を供給することで燃料電池発電システム１００における主電源からの電力供給のＯＮ／ＯＦＦに依存することなく日時を管理した。カレンダー部１０４の他の態様として、電波時計や、通信などを用いて、燃料電池発電システム１００における主電源からの電力供給のＯＮ／ＯＦＦに依存することなく日時を取得し、あるいは管理してもかまわない。

　カレンダー部１０４により特定される日時の実測データと計測部１０９により計測される累積通電時間の実測データとを基に、記憶部１０６の記憶内容に照らして、単位時間当たりの発電時間の上限値を決定し、該上限値の範囲内で発電計画を設定し、燃料電池発電システム１００の発電運転を行う。この場合には、燃料電池発電システム１００における主電源からの電力供給のＯＮ／ＯＦＦに依存することなく、累積通電時間の目標値に達するまで燃料電池発電システム１００の寿命を延ばす（発電可能な状態に維持する）ことが実現しやすくなる。

　記憶部１０６に記憶された単位時間当たりの発電時間の上限値が、同一の時期区分において累積通電時間が長くなるほど短くなっている場合には、総発電時間に応じた排熱回収効率の変化に応じて、熱供給が過剰にならないように発電時間の上限値が決定される。よって、熱需要と熱供給のバランスを保ちつつ、効率のよい運転をすることができる。

　記憶部１０６に記憶された単位時間当たりの発電時間の上限値が、同一の通電時間区分において年間の熱需要が高いと予測される時期区分ほど長くなっている場合には、熱需要に対してバランスよく熱供給することができ、効率のよい運転をすることができる。

　記憶部１０６に記憶された単位時間当たりの発電時間の上限値が、同一の通電時間区分において一日の平均気温が低い時期区分ほど長くなっている場合には、熱需要に対してバランスよく熱供給することができ、効率のよい運転をすることができる。

　記憶部１０６に記憶された時期区分毎かつ通電時間区分毎の単位時間当たりの発電時間の上限値を更新する更新部１１１（書換え処理部、あるいは、選択処理部）を有する場合には、燃料電池発電システム１００が設置された環境に適した情報を記憶部１０６に記憶させることが可能となり、効率よい運転をすることができる。

　運転制御部１１０により決定される発電運転の計画で定められた実際の単位時間内での発電運転の時間を表示する表示部１１２を有する場合には、使用者は、日々刻々と変わる燃料電池発電システム１００の運転状況を確認することができる。

　以上のように、本発明にかかる燃料電池発電システムは、少なくとも需要者の熱需要に対応しつつ、設置場所や設置地域において求められる十分な耐久性（例えば、１０年耐久性）を確保可能な燃料電池発電システムとして有用である。

　１００　燃料電池発電システム
　１０１　燃料電池スタック
　１０２　電力需要計測部
　１０３　熱需要計測部
　１０４　カレンダー部
　１０５　電池
　１０６　記憶部
　１０７　演算部
　１０８　入力部
　１０９　計測部
　１１０　運転制御部
　１１１　更新部
　１１２　表示部
　１５０　商用電源

Claims

　発電を行う燃料電池スタックを備え、システム全体の主電源から供給される電力で動作する燃料電池発電システムにおいて、
　前記主電源からの電力供給がＯＮの状態にある時間の累積である累積通電時間を計測する計測部と、
　時計機能とカレンダー機能とを有しており前記主電源からの電力供給がＯＮの状態となっているときの日時を特定するカレンダー部と、
　１年間を分割して定められる時期区分を行とし、累積通電時間の目標値を分割して定められる通電時間区分を列とするマトリクスを有しており、前記マトリクスには個々の要素として前記燃料電池スタックの単位時間当たりの発電時間の上限値が格納されており、前記マトリクス内のすべての要素について演算される発電時間の和は予め計測されている前記燃料電池スタックの寿命時間に一致するよう設定されている記憶部と、
　前記カレンダー部により特定される日時の実測データと、前記計測部により計測される前記累積通電時間の実測データとを、前記マトリクスに当てはめて、単位時間当たりの発電時間の上限値を決定する演算部と、
　前記演算部で決定された単位時間当たりの発電時間の上限値の範囲内で、それぞれの単位時間内における発電運転の計画を少なくとも需要者の熱需要を考慮して設定し、前記計画に基づいて前記燃料電池スタックの発電運転を行うよう制御する運転制御部と、
　を備えている、燃料電池発電システム。
　前記単位時間当たりの前記発電時間の上限値は、前記累積通電時間が長くなるほど短くなるよう設定されている、
　請求項１に記載の燃料電池発電システム。
　前記単位時間当たりの前記発電時間の上限値は、一年間のうちの熱需要が高い時期ほど長くなるよう設定されている、
　請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
　前記単位時間当たりの前記発電時間の上限値は、一年間のうちの一日の平均気温が相対的に低い時期ほど長くなるよう設定されている、
　請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
　設置場所の気温の情報に基づいて、前記マトリクスに格納されている単位時間当たりの発電時間の上限値を書換え可能な書換え処理部を備えている、
　請求項１～４のうちのいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
　設置場所の気温の情報に対応したマトリクスを予め複数備えており、設置場所の気温の情報に基づいて、前記記憶部に備えられている前記複数のマトリクスを選択する選択処理部を備えている、
　請求項１～４のうちのいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
　前記気温の情報は、前記記憶部に予め格納された設置場所情報、前記設置場所の平均気温情報、及び、前記設置場所の外気温を検出する温度検知器が検知した温度情報のうちの少なくとも一つの情報である、
　請求項５又は６に記載の燃料電池発電システム。
　前記運転制御部により決定される前記発電運転の計画で定められた実際の単位時間内での発電運転の時間を表示する表示部を備えている、
　請求項１～７のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
　前記計測部、前記記憶部、及び前記運転制御部は、前記商用電源から電力が供給される構成とされており、
　前記カレンダー部は、前記商用電源及び前記燃料電池スタックから独立した電力供給手段から電力が供給されるように構成されている、
　請求項１～８のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
　燃料電池発電システムの運転方法であって、
　主電源からの電力供給がＯＮの状態にある時間の累積を累積通電時間とするとき、
　１年間を分割して時期区分を定め、累積通電時間の目標値を分割して通電時間区分を定め、時期区分と通電時間区分との組合せのそれぞれについて単位時間当たりの発電時間の上限値を決定するためのマトリクスを予め定めるステップと、
　主電源からの電力供給がＯＮの状態となっているときの日時を特定するステップと、
　累積通電時間を計測するステップと、
　前記特定された日時がいずれの時期区分に属するかを決定すると共に、前記計測された累積通電時間がいずれの通電時間区分に属するかを決定し、該決定した結果と前記マトリクスとに基づいて単位時間当たりの発電時間の上限値を決定するステップと、
　前記決定された単位時間当たりの発電時間の上限値の範囲内で、それぞれの単位時間内における発電運転の計画を設定するステップと、
　前記設定された計画に基づいて燃料電池システムを運転するステップとを有する、
　燃料電池発電システムの運転方法。